Механізм виникнення блискавки зберігає в собі безліч таємниць. Однак завдяки роботам академіка Олександра Вікторовича Гуревича частину з них вдалося дозволити, привідкривши завісу таємничості і пояснивши все стрункою, але дуже тонкою фізикою. Про нові дослідження механізму грозового розряду розповів сам академік Гуревич.
Те, що блискавка є не що інше, як електричний розряд, ще в середині XVII століття довів у своїх роботах Бенджамін Франклін. Однак після створення теорії електрики і вивчення явищ розряду в газах виникла нова загадка: розряд блискавки в атмосфері виникає при електричних полях, інтенсивність яких на порядок менша, ніж випливає з лабораторних експериментів по пробою повітряного середовища. Цю загадку і дозволив наприкінці ХХ століття Олександр Гуревич, співробітник Фізичного інституту ім. П.Н. Лебедєва РАН.
Рішення засноване на відкритому Гуревичем ефекті пробою на електронах, що тікають. Саме цей ефект дозволяє лавині швидких електронів прискорюватися в значно менших електричних полях порівняно з тими, що потрібні для статичного пробою повітряного шару.
"Суть теорії втікачів електронів, - розповідає Олександр Вікторович, - полягає в тому, що електрони з енергією від 1 кЕв, під дією електричного поля можуть прискорюватися в газі (прискорення походить від кЕВа до МЕВа). Тобто швидкі електрони рухаються не як звичайні, а особливим чином прискорюються, але саме при наявності газу. У 1992 році, коли з'явилися перші роботи про спостереження гамма-випромінювання в атмосфері, наша група розробила теорію лавиноутворення втікачів електронів: вони не просто тікають, а утворюють при цьому лавину, ось це і називається пробоєм на електронах, що тікають ".
Олександр Вікторович та його учні створили теорію явища, а він сам став керівником цілого експериментального напрямку, в рамках якого в останні роки проводилося підтвердження передбачень теорії. Щоб переконатися в правильності передбачень, проводилися лабораторні та натурні експерименти (роботи на Тянь-Шаньській високогірній науковій станції ФІАН під Алма-Атою, в горах, де був створений цілий комплекс апаратури, наприклад установка «Гроза»). Протягом декількох сезонів реєструються ініційовані космічними променями широкі атмосферні зливи (ШАЛ), а також гамма- і радіовипромінювання, що виникають під час розряду блискавки. Гамма-випромінювання під час грози спостерігається в повітряних експериментах (на літаках, кулях-зондах, космічних апаратах) і за допомогою наземної апаратури. Всі ці спостереження відповідно до тривалості реєстрації подій можна розділити на два класи. Один клас використовує короткий час запису тривалістю близько мілісекунди і менше - це процеси з тимчасовою роздільною здатністю в субмікросекундному діапазоні. Другий клас спостережень використовує більш тривалий час запису - близько хвилини (субсекундні процеси). На Тянь-Шаньській станції вимірювання гамма-випромінювання виробляються протягом усього часу грозового розряду (в середньому це 0,1-1 сек) на висоті від 3340 до 3880 м над рівнем моря.
"Зараз важливо не просто спостерігати під час атмосферного розряду велику кількість гамма-випромінювання (велика кількість швидких електронів), а й ототожнювати його з атмосферним розрядом. Не так давно в США спостерігали гамма-випромінювання тривалістю близько 100 мкс перед самою блискавкою, коли вона по ідеї вже підходить до землі. Ми зараз спостерігаємо 100-600 мс - це на 3 порядку довше, фактично ми бачимо гамма-випромінювання протягом всього атмосферного розряду. З цього можна зробити висновок, що практично всі процеси в атмосферному розряді супроводжуються великою кількістю швидких електронів ", - ділиться результатами академік.
Сьогодні Олександр Гуревич, мабуть, єдиний вчений у світі, який найбільш повно синтезує знання про природу грозового розряду. Створивши теорію цього ефекту і запустивши цілу серію експериментальних досліджень розрядів в атмосфері (в тому числі супутникових: на кінець 2011 р. заплановано запуск спеціального супутника «Чібіс», який буде збирати дані про грозові явища «зверху»), академік Гуревич зараз працює над комплексною моделлю явища. Своє завдання він бачить в тому, щоб узгодити дані тянь-шаньских експериментів з даними експериментів лабораторних і врахувати всі можливі фактори. Наприклад, експериментальні дані, отримані в різні пори року, відрізняються, і треба зрозуміти, чому так відбувається.
Під час грози в хмарі, зарядженій негативними іонами, утворюється електричний заряд приблизно 10 Кулон на км2 (1019 негативних іонів дає 1 Кл). Наприклад, якщо хмара протяжністю 5 км, значить, розряд буде 300 Кл. Таке електричне поле в певних умовах має індукувати достатню провідність у цій хмарі, інакше просто неможливо цей заряд передати. Виникає «тоненький шнур» діаметром всього кілька міліметрів, прогрітий до температури 3500оС, достатньої для провідності. Однак електричний заряд настільки великий, що він не може поміститися в такому тонкому шнурі, і розряд, що виникає «по сліду» цього шнура, відбувається в каналі діаметром приблизно 5 м. Рух цього заряду від хмари до хмари або від хмари до землі відбувається в кілька стадій, як би ступінчато: той заряд, який сидів у хмарі на краплях, переноситься на іони повітря, а попереду рухається тонкий шнур-лідер. І коли він дійде до іншої хмари або до Землі, виходить зустрічний лідер, вони зустрічаються, і відбувається спалах. Вся накопичена енергія приблизно за 50 мікросекунд переходить у випромінювання. Ми бачимо спалах блискавки, температура в такому каналі сягає приблизно 20 тис. градусів. Процес просування лідера триває, умовно, хвилина - кілометр, з такою швидкістю він повзе приблизно 10 секунд від хмари до Землі. Сам же розряд відбувається за 50 мкс, а швидкість блискавки становить 108 м/с.
"Лідер - це така штука, яка переносить заряд і розподіляє його в просторі між, припустимо, однією і другою хмарою, а після цього відбувається спалювання вже самого розряду. У процесі руху лідера, як я вважаю, і виникає це сильне електричне поле, в якому можуть прискоритися і розмножитися електрони, необхідні для продовження руху лідера. Це прискорення електронів супроводжується випромінюванням у різних спектральних діапазонах, від радіо- до гамма, - пояснює Гуревич. Нові дані про ці випромінювання, особливо, про гами-сплески, що виникають в атмосфері, ставлять все більш детальні завдання експериментаторам: "Ми хочемо зареєструвати одночасно джерело гамма-випромінювання і радіовипромінювання, причому і прямий радіосигнал, і відбитий від Землі, тоді ми зможемо однозначно визначити їх джерело, тобто зареєструвати сигнали не тільки від самого заряду блискавки, але і від лідера. Крім цього хотілося б визначити, коли досягається максимальне поле і в якому місці. Також важливо, щоб одночасно вимірювалися ще ультрафіолет і низькочастотне випромінювання, вони також повинні дати необхідні деталі майбутньої моделі, яка ще нікому не відома ".
Спираючись на фундаментальні закономірності, вчені будують модель значного природного явища, яка матиме досить важливі практичні додатки.